Classificazione delle principali categorie di materiali. Introduzione alla chimica di base (struttura atomica e legami chimici). Studio delle principali metodologie di prova per determinare le proprietà meccaniche dei materiali. Materiali metallici ferrosi e non ferrosi per edilizia e leganti. Introduzione ai materiali ceramici, polimerici e compositi

Introduzione ai materiali
Definizione di materiale. L’importanza dei materiali nella storia. Classificazione dei materiali: metallici, ceramici e polimerici. Materiali compositi. Le proprietà dei materiali: meccaniche, fisiche e chimiche. Relazione tra composizione, struttura e proprietà. Struttura atomica, microstruttura e macrostruttura. Cenni storici sulle teorie atomiche. Struttura dell’atomo. Particelle subatomiche. Definizioni di numero atomico, peso atomico e mole. Cenni sulla tavola periodica degli elementi. Atomo di Bohr. Cenni sulla meccanica quantistica. Numeri quantici ed orbitali. Principio di esclusione di Pauli. Configurazione elettronica. Elettroni di valenza. Elettronegatività. Regola dell'ottetto.
Classificazione dei legami chimici: primari e secondari. Energie di legame. Legame ionico: definizione ed esempi. Legami covalenti semplici e multipli, polari ed apolari. Orbitali atomici e molecolari. Dipoli. Legami misti. Legame covalente dativo. Legame metallico. Elettroni liberi. Legami secondari: dipoli permanenti ed istantanei. Legame a ponte di idrogeno.
Stati della materia. Struttura dei solidi. Solidi ideali. Solidi cristallini ed amorfi. Concetti di ordine ed anisotropia. Reticoli e celle elementari. Solidi reticolari e molecolari. Solidi covalenti. Ibridizzazione sp3 del carbonio. Struttura e proprietà del diamante. Polimorfismo del carbonio. Ibridizzazione sp2. Struttura e proprietà della grafite. Solidi ionici. Vincolo dell'elettroneutralità. Numero di coordinazione. Caratteristiche dei solidi ionici. Solidi metallici. Modello delle sfere rigide. Fattore di impacchettamento. Celle elementari EC, CFC, CCC. Caratteristiche solidi metallici. Solidi reali. Difetti nei solidi. Classificazione dei difetti. Difetti di punto di natura fisica e chimica. Ruolo dei difetti di punto sulle caratteristiche di alcuni materiali. Difetti di linea: dislocazione a spigolo e a vite. Difetti di superficie: bordi di grano. Meccanismo di solidificazione di un metallo. Nucleazione e crescita. Cristalli a grana fine o grossolana.
Comportamento meccanico dei materiali. Comportamenti elementari elastico e plastico, e loro interpretazione su scala atomica. Comportamento duttile e fragile. Comportamento meccanico in presenza di difetti. Esperienza di Griffith. Meccanismo di scorrimento della dislocazione in un reticolo. Ruolo delle dislocazioni e dei bordi di grano sulla duttilità dei metalli. Incrudimento. Classificazione delle prove meccaniche. Cenni sulle norme UNI ed UNI EN. Prova di trazione. Curva sforzo-deformazione. Modulo di elasticità. Legge di Hooke. Carico di snervamento. Carico di snervamento convenzionale. Carico di rottura. Strizione. Allungamento percentuale a rottura. Duttilità. Tenacità. Curve sforzo-deformazione caratteristiche. Cenni sul comportamento viscoso. Creep e rilassamento. Durezza e prove di durezza. Scala di Mohs, durometri, sclerometri. Correlazione durezza-resistenza. Resilienza. Pendolo di Charpy. Intervallo di transizione duttile-fragile. Cenni sulla rottura a fatica. Limite di fatica.

I materiali per l’edilizia
Materiali metallici
Materiali metallici ferrosi e non ferrosi. Cenni sul ferro. Ruolo del carbonio sulla resistenza degli acciai. Definizione di acciaio e ghisa. Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali. Composti intermetallici. Polimorfismo del ferro e solubilità del C in Fe. Soluzioni solide interstiziali: Ferrite ed Austenite. Lacune ottaedriche regolari ed irregolari.
Raffreddamento degli acciai: microstrutture di equilibrio e di non equilibrio. Trasformazione di spostamento da Fe-γ a Fe-α. Composti intermetallici: Cementite. Costituenti strutturali: Perlite lamellare. Martensite: meccanismo di formazione e proprietà meccaniche. Cenni sul diagramma di stato ferro-cementite. Cenni sulla produzione degli acciai mediante siderurgia primaria. Altoforno: descrizione e funzionamento. Ghisa e scoria d'altoforno. Affinazione della ghisa.
Trattamenti di rafforzamento degli acciai. Trattamenti meccanici: ostacoli al movimento delle dislocazioni. Trattamenti termici: ricottura, normalizzazione, tempra. Temperatura A3. Mezzi tempranti. Rinvenimento. Sorbite. Tempra superficiale. Trattamenti termochimici: cementazione e nitrurazione. Classificazione (UNI EN 10020) e Designazione (UNI EN 10027) degli acciai.
Classificazione degli acciai: requisiti qualitativi, composizione chimica ed applicazioni. Acciai al carbonio ed acciai legati e non legati. Acciai da costruzione per uso generale. Designazione degli acciai: designazione simbolica e numerica. Esempi di sigle di designazione. Norme tecniche per le Costruzioni. Cenni sul calcestruzzo armato. Caratteristiche degli acciai per calcestruzzo armato. Saldabilità degli acciai. Tecnica della precompressione e sue principali applicazioni. Caratteristiche degli acciai per calcestruzzo armato precompresso. Trefoli.
Cenni sulla corrosione: meccanismi di reazione, fattori che la influenzano, principali forme di corrosione e metodi di protezione. Acciai inossidabili: composizione e microstrutture. Caratteristiche e applicazioni degli acciai inox.
Cenni sulle ghise: classificazione, pregi e difetti. Caratteristiche e principali campi di applicazione dei materiali metallici non ferrosi. Alluminio e leghe leggere. Alluminio anodizzato. Rame e sue leghe. Le patine del rame. Usi del rame nell'edilizia.
Cenni sul Titanio: caratteristiche e principali campi di applicazione. Leghe a memoria di forma. Titaniocromia.

Materiali leganti
Introduzione ai materiali leganti. Leganti aerei ed idraulici. Idratazione, presa ed indurimento, stagionatura. Paste, malte e calcestruzzi. Schema di produzione dei leganti.
Produzione del gesso: materie prime e trasformazioni durante la cottura. Idratazione del gesso: meccanismi di presa ed indurimento. Caratteristiche del gesso e suoi principali campi di applicazione. Produzione della calce aerea: cottura delle materie prime, spegnimento della calce viva. Calce idrata in polvere.
Grassello di calce: produzione e stagionatura. Resa in grassello. Calci grasse e magre. Fattori che influenzano la resa in grassello. Ruolo della sabbia nelle malte di calce. Presa ed indurimento di una malta di calce aerea. Malte da allettamento e malte da intonaco.
Ciclo di produzione del cemento Portland. Materie prime. Schema dei forni rotanti. Trasformazioni durante la cottura di calcare ed argilla. Composizione del Clinker: alluminati e silicati di calcio. Finezza di un cemento: distribuzione granulometrica ed area superficiale specifica.
Idratazione degli alluminati di calcio. Meccanismo di presa del cemento. Gesso come regolatore di presa. Ettringite primaria. Ottimizzazione del rapporto gesso/clinker. Idratazione dei silicati di calcio. Caratteristiche del gel di cemento. Meccanismo di indurimento del cemento. Portlandite. Sviluppo delle resistenze meccaniche. Calore di idratazione del cemento Portland. Problematiche inerenti alle strutture di notevoli dimensioni. Porosità della pasta di cemento idratata. Porosità del gel di cemento. Porosità capillare. Macroporosità.
Relazione tra porosità capillare, grado di idratazione e rapporto acqua/cemento. Formula di Powers: relazione tra porosità capillare e resistenza a compressione. Cementi di miscela. Tipologie di aggiunte minerali: pozzolaniche e d'altoforno. Attività pozzolanica. Descrizione dei principali materiali ad attività pozzolanica: pozzolana, tufi zeolitici, ceneri di carbone e fumo di silice. Caratteristiche ed applicazioni dei cementi pozzolanici.
Composizione della loppa d'altoforno. Proprietà idrauliche latenti. Attivazione della loppa. Caratteristiche ed applicazioni dei cementi d'altoforno. Calci idrauliche naturali, industriali e pozzolaniche: produzione, caratteristiche e applicazioni. Norma sui cementi UNI EN 197-1. Tipi di cementi e classi di resistenza.
Altri componenti del calcestruzzo: acqua, aggregati e additivi. Caratteristiche delle acque di impasto per cls. Aggregati: origine e funzioni. Caratteristiche degli aggregati: dimensione, forma, porosità e densità. Additivi per calcestruzzi: fluidificanti, acceleranti, ritardanti, aeranti. Calcestruzzi speciali. Calcestruzzi ad elevate prestazioni (HPC).
Calcestruzzi leggeri (LWC). Calcestruzzi autocompattanti (SCC). Prova del cono di Abrams. Classi di lavorabilità. Durabilità e meccanismi di degrado del calcestruzzo. Acque dilavanti. Cicli gelo/disgelo. Attacco solfatico. Corrosione delle armature dovuta a carbonatazione e a cloruri. Reazione alcali-aggregato.

Materiali ceramici tradizionali:
Introduzione ai materiali ceramici tradizionali. Definizione e Classificazione. Ciclo di produzione dei ceramici. Materie prime: argille, smagranti, fondenti, materie complementari. La struttura delle argille: foglietti tetraedrici ed ottaedrici. Reologia dei sistemi acqua-argilla. Rivestimenti: vetrine e smalti. Tecniche di formatura: pressatura, estrusione e colaggio. Essiccamento e cottura: ceramici a pasta porosa e compatta. Laterizi e piastrelle.

Vetri:
Introduzione al vetro e cenni storici. Caratteristiche ed applicazioni. Solidi amorfi e solidi cristallini. Teoria cinetica della vetrificazione. Ciclo di produzione dei manufatti in vetro. Struttura del vetro. Formatori e modificatori di reticolo vetroso. Modificatori di reticolo vetroso stabilizzanti e decoloranti. Ossidi intermedi. Tecniche di formatura. Pressatura e soffiatura. Vetro float. Ricottura. Composizione e caratteristiche di alcuni vetri commerciali. Vetri particolari: vetri di silice, vetri al piombo e vetri di sicurezza. Tempra termica e tempra chimica. Stabilità chimica dei vetri.

Materiali polimerici
Introduzione ai Polimeri. I legami nei polimeri. La struttura dei Polimeri. Le molecole degli idrocarburi. Omopolimeri e copolimeri. Peso molecolare medio. Grado di polimerizzazione. Strutture molecolari. Classificazione dei polimeri. Polimeri termoplastici e termoindurenti, elastomeri. La temperatura di transizione vetrosa. Il grado di cristallinità. Meccanismi di Polimerizzazione: polimerizzazione a catena e polimerizzazione a stadi. Polimeri Vinilici: alcuni esempi. Stereoisomerismo. Policondensazione e poliaddizione. Tecniche di polimerizzazione. Tecnologie di lavorazione: stampaggio, estrusione, soffiatura e termoformatura. Comportamento meccanico dei polimeri. Comportamento in temperatura. Deformazione viscoelastica. Modulo di rilassamento. Creep viscoelastico. Frattura e fatica nei materiali polimerici.

Cenni sui leganti geopolimerici
Introduzione ai geopolimeri. Definizione e cenni storici. Classificazione. Composizione chimica e struttura dei geopolimeri. Reazione di geopolimerizzazione: chimica del processo e parametri che la influenzano. Confronto geopolimeri cemento Portland. Processo produttivo, proprietà e principali applicazioni. I geopolimeri nel settore dei beni culturali.

Cenni sui materiali compositi.
Introduzione ai materiali compositi. Materiali compositi naturali ed artificiali. Costituenti dei materiali compositi: matrice, rinforzo ed interfaccia. Classificazione dei compositi: in base al rinforzo ed alla matrice. Esempi di compositi con particelle e laminati. Ruolo del rinforzo. Lunghezza critica delle fibre. Principali matrici polimeriche: epossidica e poliestere. Compositi a matrice ceramica e metallica. Principali tipologie di fibre utilizzate come rinforzo. Fibre di vetro: composizione chimica, caratteristiche e applicazioni. Fibre aramidiche: nomex e kevlar. Fibre di carbonio.